Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para Clientes CHEC “Calidad del Servicio – Herramientas Conceptuales y Técnicas Asociadas” Confiabilidad de Sistemas Industriales Carlos J. Zapata Universidad Tecnológica de Pereira Agosto 24 de 2011

Grupo de Investigación Planeamiento de Sistemas Eléctricos Fundado en el año 1999 por el ingeniero Ramón Alfonso Gallego Rendón, tiene como misión el desarrollar, mejorar y aplicar conocimiento en el área de sistemas eléctricos de potencia para transferirlo a la comunidad académica y a las empresas del sector eléctrico.   Sus áreas de trabajo son: Planeamiento de sistemas de transmisión de energía eléctrica Planeamiento de sistemas de distribución de energía eléctrica Confiabilidad de sistemas eléctricos Investigación de operaciones y optimización matemática Mercados de energía

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 1. Introducción Mazorcas CHEC Granos de Maíz Separación Empresa de gas Harina de Maíz Molino Mezcladora Empresa de acueducto Otros ingredientes Agua Moldeadora 1 Moldeadora 2 Horno 1 Horno 2 Enfriado 1 Enfriado 2 Masa para arepas Arepas crudas asadas Empacadora Arepas empacadas Electricidad Gas natural Un sistema industrial esta compuesto por equipos de diversos tipos, los operarios y por algunos insumos que son provistos por sistemas externos. La misión de este sistema es fabricar un producto dado al menor costo posible y con nivel estipulado de calidad. 3

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Se denomina “falla” a la situación en que un sistema industrial:   1. Deja cumplir parcialmente o totalmente su función Presenta una diferencia inaceptable entre su desempeño nominal y el observado en la practica. Esto se manifiesta en: Calidad de lo que produce Capacidad o velocidad de producción Eficiencia, rendimiento 4

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Las fallas de un sistema industrial ocurren debido a:   1. Falla de los equipos: están relacionadas con su diseño, materiales, manufactura y mantenimiento. Errores operativos: están relacionados con factores humanos. 5

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Las fallas de un sistema industrial pueden causar:   1. Pérdidas económicas para el dueño del sistema. 2. Situaciones potencialmente peligrosas o de “riesgo” para el sistema, sus operarios y la sociedad en general (personas, medio ambiente) diferentes a las aceptadas o permitidas. 3. Pérdida de imagen para los productos o para el dueño del sistema 6

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Por lo tanto, se requiere que todo sistema industrial ofrezca:   Calidad: Se refiere a su desempeño respecto a unas normas técnicas. Seguridad: Que su uso no implique potenciales peligros o riesgos para los operadores o la sociedad (personas, medio ambiente) diferentes a los aceptados o permitidos. Confiabilidad: Que cumpla su función durante el tiempo requerido bajo las condiciones operativas especificadas. Continuidad en la operación cumpliendo calidad y seguridad Confiabilidad Mejoras en calidad y seguridad Mejora en confiabilidad 7

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 La confiabilidad de un sistema industrial depende en primera instancia de: 1. La confiabilidad de los equipos que lo conforman 2. Su configuración operativa (nivel de redundancia, topología) Otros factores que también tienen incidencia en su confiabilidad son: Proceso de reparaciones (Logística, competencia del personal, herramientas disponibles, repuestos) Mantenimiento preventivo 8

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Desde el punto de vista de la confiabilidad, un sistema industrial es:   1. Reparable: Cada vez que falla es restaurado al estado operativo mediante cualquier método (reparación, ajuste, etc.) excepto su reemplazo completo. Así, todos sus equipos se consideran reparables sea mediante su reparación o su reemplazo. 2. Continuamente operado Indisponible tiempo Estado Disponible Salidas planeadas y no planeadas 9

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 La posibilidad de su ocurrencia se mide en términos de probabilidad Eventos internos y externos que producen las fallas Son de naturaleza aleatoria Esto nos lleva a la definición clásica de confiabilidad para un sistema: “Es la probabilidad de que cumpla su función en las condiciones operativas especificadas durante un intervalo de tiempo dado”  Análisis de confiabilidad Modelamiento probabilístico 10

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 2. Análisis de Confiabilidad de un Sistema Industrial   Terreno Cimentaciones Edificio Columnas Análisis de confiabilidad del sistema industrial Datos operativos Modelo de los componentes Método de valoración de la confiabilidad 11

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 3. Datos operativos para análisis de confiabilidad Registros de fallas y reparaciones Instante de ocurrencia de la falla Tiempo de reparación Descripción del evento de falla Acciones correctivas tomadas Registros de mantenimiento preventivo y otras salidas planeadas Instante de ejecución Tiempo requerido Descripción de las acciones ejecutadas 12

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Datos del sistema y sus componentes Topología Modos operativos Hoja de vida por componente Inventario de componentes, cambios de componentes, ampliaciones 13

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Problemas que son comunes en el registro de información 1. Por increíble que parezca, no se conoce la cantidad de equipos instalados en el sistema, esto suele suceder en sistemas muy grandes.   Algunos sistemas crecen con el transcurso del tiempo, por lo cual, es necesario actualizar esta información periódicamente. 2. No se tiene para cada componente una hoja de vida donde se registren su código de identificación en el sistema o empresa, fabricante, referencia, número serial, características técnicas principales y el instante en el cual fue puesto en servicio. 3. Cuando se reemplaza un componente que ha fallado no se registra su identificación, el instante de su falla o reemplazo ni una descripción del estado en que se encontró el componente que permita luego analizar las causas de su falla. 14

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 4. No se realiza un análisis “post-morten” de los componentes que han fallado para establecer las causas de su falla y clasificarlas. 5. Errores en el registro de fechas, código de los componentes, ubicación de los componentes.   6. Descripciones ilegibles o no entendibles por mala escritura o uso de términos no técnicos. 7. Pérdida parcial o total de los documentos o archivos donde se registra la información. 15

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 4. Análisis de confiabilidad a nivel de componentes Qué es un componente? Componente: Un equipo, máquina, aparato, dispositivo o sub-sistema que será modelado en forma global como un todo Sistema: Un conjunto de componentes interconectados para cumplir una función. Así, dependiendo del objetivo del estudio un equipo, máquina o dispositivo puede ser tratado como componente o como sistema Bombilla Conector Filamento Cristal Modelamiento como componente Modelamiento como sistema 16

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Si para un sistema industrial dado interesa: Estudiar el efecto sobre su confiabilidad de la confiabilidad individual de los subcomponentes de los equipos que lo conforman y de su configuración operativa Los equipos tienen que ser tratados como un sub-sistemas Estudiar el efecto sobre su confiabilidad de la confiabilidad individual de los equipos sin detallar en lo que sucede internamente Los equipos pueden ser tratados como un todo, es decir, como un componente 17

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Tipos de componentes No reparable: Aquel que se descarta la primera vez que falla. Ejemplos: aislador eléctrico, diodo, transistor, circuito integrado, empaque plástico, tornillo, etc. Reparable: Aquel que una vez falla puede ser restaurado al estado operativo mediante cualquier método (reparación, ajuste, etc.) excepto su reemplazo completo. Ejemplos: sistema eléctrico de potencia, sistema de acueducto, computador, refrigerador, etc. Como se mencionó anteriormente, para un sistema industrial se considera que todos los componentes son reparables: Los componentes no reparables se reparan reemplazándolos 18

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Tipos de componentes según sus modos de falla 1 2 Bueno Fallado Equipo bueno 1000 arepas/hora Salida total 0 producción Dos estados operativos – un modo de falla: Todas las fallas activas tienen el mismo efecto sobre la producción Equipo bueno 1000 arepas/hora 1 2 3 Salida parcial 1 600 arepas/hora 4 Salida total 0 producción Salida parcial 2 400 arepas/hora Mas de dos estados operativos – varios modos de falla: Las fallas activas tienen distintos efectos sobre la producción 19

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Tipos de análisis de confiabilidad a nivel de componentes Presente Futuro Clasificación de salidas Construir modelos probabilísticos Evaluar el desempeño histórico Plantear medidas correctivas Predicción Datos operativos Pasado Simular el comportamiento pasado comportamiento presente comportamiento futuro Cálculo de índices de confiabilidad 20

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Clasificación de salidas Mantenimiento preventivo Ampliación del sistema Mejoramiento del sistema Etc. Planeadas Determinísticas Salidas Internas Aquellas originadas en el componente por deterioro, defectos de manufactura, etc. No Planeadas Aleatorias Externas Aquellas causadas por agentes externos al componente como vandalismo, fenómenos ambientales, contaminación, animales, mala especificación, operación incorrecta, etc. 21

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Este análisis es de gran importancia ya que permite tomar acciones correctivas como:   1. Mejora de las especificaciones técnicas 2. Mejora en los diseños 3. Estrategias de mantenimiento 4. Estrategias operativas 22

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Índices estadísticos de confiabilidad Son medidas de la confiabilidad de los componentes. Sirven para comparar el desempeño respecto a componentes similares Si el los índices se calculan utilizando información operativa agrupada de varios componentes, se refieren entonces a un componente “típico” o “medio” del grupo de componentes. Existen muchos índices de confiabilidad, a continuación se muestran algunos Debe tenerse cuidado al utilizarlo ya que son valores constantes y puede ocultarse el hecho de que los procesos de falla y reparación sean no estacionarios 23

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Tasa de salidas Tasa de fallas Disponibilidad operacional Disponibilidad Tiempo medio para restauración Tiempo medio para reparación Tasa de restauraciones Tasa de reparaciones 24

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Modelos de confiabilidad de los componentes Muestra de tiempos para falla Modelo de fallas Realidad Idealización Muestra de tiempos para reparación Modelo de reparaciones 25

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Bloques de confiabilidad Frecuencia y duración Si A, U, R, F, l, r son constantes los procesos de falla y reparación son estacionarios. Esto debe verificarse! No fallas 1 2 3 Falla parcial Falla total Cadenas de Markov Bueno 1 2 Fallado 26

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Prueba de tendencia Estacionario ? No Cadena de Markov no homogénea Muestra de datos Hallar modelo de la tasa de eventos Prueba de independencia Independencia Prueba de bondad de ajuste a distribución Ajuste (Distribución Exponencial, Lognormal, Gamma, etc.) Cadena de Markov homogénea Revisar homogeneidad de la muestra Si Revisar causas de dependencia 27

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 5. Métodos de valoración de confiabilidad del sistema Los métodos para valorar confiabilidad se utilizan para predecir el comportamiento futuro del sistema ante: Cambios en el sistema Cambios en los componentes Cambios en las estrategias operativas Cambios en las estrategias de mantenimiento preventivo Cambios en las estrategias de mantenimiento correctivo (reparaciones) La predicción se realiza porque, en general, no se hacen ensayos directamente en el sistema sin primero haber evaluado en forma teórica su efecto. 28

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Diagramas de Red Se aplica si: Las componentes son independientes en cuanto a sus fallas (no hay fallas de modo común) Cada componente solo tiene dos estados operativos: “bueno” y “fallado”, “disponible” e “indisponible”, etc. El sistema solo tiene dos estados operativos: “bueno” y “fallado”, “disponible” e “indisponible”, etc. 1 2 1 2 29

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Formas de solucionar el diagrama de red Reducción secuencial mediante combinaciones serie y paralelo Para estructuras complejas se establece la red equivalente de conjuntos de cortes para luego aplicar la reducción secuencial mediante combinaciones serie y paralelo R1 R2 R3 R4 R5 R6 A E C B D C1 C2 C3 C4 R7 R8 R9 30

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Frecuencia y duración Este método es una aproximación derivada de la cadena de Markov homogéneo exponencial y en el cual cada componente se considera como un “bloque” l1,r1 l2,r2 lp,rp l1,r1 l2,r2 ls,rs Como este método opera sobre el concepto de diagrama de red, entonces, deben cumplirse las condiciones de dicho método. Como este método se deriva de la cadena de Markov homogénea exponencial, los tiempos para falla y reparación deben estar exponencialmente distribuidos. Esto debería verificarse antes de aplicar este método. Solo se recomienda utilizar este tipo de modelamiento si la indisponibilidad anual de cada componente es menor al 10%. Los procesos de falla y reparación son estacionarios 31

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Enumeración de Estados Se aplica para sistemas de componentes independientes y dos estados operativos. La probabilidad de ocurrencia de uno de los estados operativos del sistema se puede hallar mediante la fórmula de probabilidad de ocurrencia simultánea de eventos independientes:   Para aplicar este método debe realizarse una enumeración exhaustiva de todos los estados operativos posibles, lo cual, puede ser una tarea complicada incluso para sistemas con pocos componentes. Es buena su aplicación cuando las fallas de los componentes y sus combinaciones tienen diferentes resultados sobre la operación del sistema. 32

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 C1 C2 C3 Carga Para facilitar la aplicación de este método reduciendo la cantidad de estados operativos del sistema se agrupan componentes que están en serie (desde el punto de vista de confiabilidad) 33

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Cadenas de Markov Con este método:   Se pueden considerar componentes con cualquier número de estados operativos Se pueden considerar componentes independientes y con modos de falla dependientes Se pueden utilizar tasas de fallas y reparaciones constantes o variables en el tiempo Se representa la secuencia de estados operativos de los componentes que llevan a un determinado estado operativo del sistema Para aplicar este método debe realizarse una enumeración exhaustiva de todos los estados operativos posibles, lo cual, puede ser una tarea complicada incluso para sistemas con pocos componentes. 34

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Pasos para aplicar este método: 1. Definir los estados operativos del sistema y hacer su diagrama. 2. Para cada uno de los tiempos de transición entre estados analizar la tendencia. Dos casos pueden aparecer: No hay tendencia: En este caso la tasa de transición es constante. Se procede a obtener la distribución de probabilidad de los tiempos de transición. Si hay tendencia: En este caso la tasa de transición es variable con el tiempo. Se procede a obtener la función que representa la tasa de transición, por ejemplo, aplicando el método de mínimos cuadrados. 3. Dependiendo de la forma de las tasas de transición entre estados (constantes o variables en el tiempo) y de la distribución de probabilidad asociadas a las tasas de transición constantes, seleccionar el método de solución para el sistema de ecuaciones diferenciales que describen el sistema. 35

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 36

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Simulación de Montecarlo Este método permite mezclar diversos tipos de modelamiento de los componentes, modos de falla común, procesos estacionarios y no estacionarios, diversas secuencias operativas, diversas logísticas para reparación, operación balanceada o desbalanceada, y lo más importante, se puede combinar con otros procesos iterativos como algoritmos genéticos, flujos de carga, etc.   Su mayor desventaja radica en el alto tiempo computacional y capacidad de memoria RAM requeridos, lo cual se agrava en sistemas que tienen componentes con tasas de fallas muy bajas. Su aplicación no es tan sencilla como la de otros métodos, ya que requiere el desarrollo de un programa de computador para su aplicación. Esto desmotiva su aplicación con respecto a los otros métodos. 37

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Algoritmo básico para sistemas reparables y criterio de pérdida de componentes n-1 t 1 año Realización 1 . Realización 2 Realización n POZO 1 C1 POZO 3 C3 POZO 2 C4 C6 C5 FUTURO C2 115 kV 34.5 kV Datos de entrada: Modelos de falla y reparación de cada uno de los componentes Efecto de las fallas ($, demanda, etc.) 38

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Cuál método de valoración de confiabilidad utilizar?   Condiciones operativas de los componentes: Modos de falla de los componentes Modos de falla común Proceso de fallas y reparación son estacionarios? Calidad de la información operativa con la cual se construyeron los modelos de confiabilidad de los componentes Cuando no existen datos operativos o los existentes son insuficientes es costumbre tomar índices o modelos de confiabilidad de documentos técnicos Si los datos se obtienen de esta forma de nada sirve aplicar un método sofisticado de valoración de confiabilidad como cadenas de Markov o simulación de Montecarlo 39

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Tener presente que la validez de los resultados y conclusiones que se obtengan del análisis de confiabilidad es directamente proporcional a la calidad de los datos operativos utilizados para construir los modelos de confiabilidad   Terreno Cimentaciones Edificio Columnas Análisis de confiabilidad del sistema industrial Datos operativos Modelo de los componentes Método de valoración de la confiabilidad 40

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Así, se debe instruir a todo el personal involucrado en la operación del sistema, ingenieros, tecnólogos y técnicos sobre la importancia de llevar registros detallados tanto de los componentes como de los mantenimientos realizados. La falta de información completa y correcta impide realizar un completo análisis de la confiabilidad lo que a su vez impide tomar sobre una base objetiva medidas correctivas para el mejoramiento del sistema. Ingeniero analista de confiabilidad Ingenieros de mantenimiento y operación Técnicos, tecnólogos 41

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 6. Costo de la confiabilidad Duración de la falla Costo de las fallas ($) [minutos] 30 60 90 120 150 180 Usuario industrial 1 Usuario industrial 2 210 Costo por falla=$1’500,000 Es necesario establecer el costo de las fallas en el sistema industrial: En algunos casos, se establece el costo según la duración de la falla En otros casos, se establece un costo por falla ya que su duración no afecta los costos 42

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Con el costo de las fallas se establece el valor óptimo de inversión en confiabilidad, es decir: Beneficios de mejorar la confiabilidad ≥ Costo de mejorar la confiabilidad Nivel de confiabilidad Costo ($) Costo de las fallas Costo de mejorar la confiabilidad R* Óptimo matemático Valor aceptado Fallas/año Horas/falla Etc. 43

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 7. Referencias [1] C. J. Zapata, Confiabilidad en Ingeniería, Universidad Tecnológica de Pereira, 2011 [2] C. J. Zapata, Confiabilidad de Sistemas Eléctricos, Universidad Tecnológica de Pereira, 2011 [3] C. J. Zapata, Análisis Probabilístico y Simulación, Universidad Tecnológica de Pereira, 2011 44

Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Confiabilidad de Sistemas Industriales Feria Técnica y Comercial para clientes CHEC 2011 Para preguntas, comentarios o solicitud de material adicional, enviar un mensaje a: cjzapata@utp.edu.co 45